无线自组网在变电站综自系统中的应用探讨

苏汉，逢宗海

(保定供电公司，河北 保定 071051)

1 引言

变电站综合自动化系统的主要任务［1］有两个方面:一方面完成综自系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换;另一方面完成变电站与控制中心的通信任务，将故障信息及时上报控制中心，同时接受和执行控制中心下达的各种控制和调控命令。由此可见，数据通信是变电站综自系统中的一个重要环节。另外由于变电站需要通信的数据具有一些特殊性，比如数据的实时性、故障信息的突发性和现场恶劣的电磁环境等问题，对综自系统的数据通信提出了更高更苛刻的要求。目前变电站综自系统采用的通信方式有串行通信、现场总线和以太网。

在综自系统中，特别是微机保护、自动装置与监控系统相互通信电路中主要采用RS422和RS485串行通信。变电站自动化系统采用RS－485/422接口，可实现多节点间的连接。这种方式的优点是通信设备简单、成本低、易于实现。但连接的节点数比较少一般不超过32个。在很多情况下不能满足系统的要求。因此，这种通信方式适用于结构简单且投资成本少的小型变电站，主要在35kV的变电站。

现场总线与原有的RS485总线方式相比，它具有系统开放、通信速率高、多主通信、抗干扰能力强等特点。当变电站规模较大时，站内节点数较多，一般在40个以上，多主冗余要求和节点数量增加使RS422和RS485难以胜任，应考虑选择选择现场总线网络。国内变电站自动化系统中应用较多的现场总线是Lon-Works和 CAN。LonWorks一般用于110kV变电站，CSC－2000型变电站综自系统就是采用Lonworks总线进行组网的;CAN网一般用于小规模的35kV变电站和110kV终端变电站。

以太网技术以其应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件资源丰富等优点逐渐成为电力工业通信网络的理想选择。目前，以太网技术己成为变电站自动化系统网络通信的主流技术。但是由于以太网MAC层采用CSMA/CD介质访问方式，导致网络重载时，严重影响数据实时性。虽然交换式以太网可解决CSMA/CD协议问题，但当系统扩展时，资源出现短缺，同样无法保证时延的确定性。

相比组网灵活性低，线路易受破坏，并且通信覆盖范围有限的RS－422、RS－485、Lonworks或CAN 现场总线和以太网等有线通信方式［2］，无线通信具有灵活性高、扩展性好等特点，可作为现有变电站自动化通信网络的扩展和补充。

2 无线自组网

无线自组网是一种特殊的无线移动通信网络，其中，每个节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，网络中的节点兼具主机和路由器两个角色。作为主机，节点需要提供面向用户的服务;作为路由器，节点需要运行相应的路由协议，并根据路由策略参与分组转发和路由维护。即自组网具有无中心、自组织、多跳路由和动态拓扑等特点［3，4］，因而在网络协议方面与普通无线网有明显区别，主要体现在路由协议和信道访问控制(MediaAecessControl，MAC)协议上。

2.1 变电站自组网结构

目前变电站综自系统基本都采用分层式结构，根据所完成的功能在逻辑上可分为3层:变电站层、间隔层和过程层。在其自动化网络中，变电站层内部可采用以太网通信，间隔层内部及间隔层和变电站层之间可采用RS－485网、Lonworks网、CAN或以太网通信，过程层目前还是采用硬件连线方式进行通信［5，6］，基于自组网的变电站自动化无线通信方案可作为目前有线通信的补充和扩展，也可代替部分有线通信，突破有线通信方式的种种限制，使数据传输更灵活。

变电站自组网由终端节点、中继节点和汇集节点组成，每个节点可通过无线通信模块互相通信。终端节点具有数据采集和测量功能，并将采集到的数据发送给汇集节点。汇集节点与站内有线网相连，将从各个终端节点接收到的数据传送到变电站监控系统并向各终端节点发送应答(Acknowledgement，ACK)报文。汇集节点除了具有信息汇集功能外还具有网桥功能，转发有线网与无线网之间的数据。当汇集节点不在终端节点的单跳通信范围内时可通过中继节点向汇集节点转发数据。中继节点可由其他终端节点充当，也可以是专用的节点。

2.2 路由选择

路由协议是AdHoc网络的重要组成部分，其主要任务是发现、维护从源节点到目的节点的路由，将数据从源节点送到目的节点。路由的好坏直接影响网络的性能。按照发现路由方式的不同，自组网路由协议分为主动式路由协议和按需式路由协议［7］。

由于无线信道传输距离和通信质量方面的原因，变电站自组网中某些节点可能无法直接与汇集节点通信，数据报文要通过中继节点转发。因此，在变电站自组网中，节点应具有自动路由发现功能。考虑到变电站自组网的网络直径不大，无线信道基本对称且拓扑结构比较固定，数据流向比较固定(一般从自动化智能设备流向变电站监控系统)，数据传输具有周期性，每次传输的数据量不大，对数据传输的实时性有一定要求等实际情况，本文采用基于ad hoc按需距离矢量路由(Ad hoc on Demand Distance Vector，AODV)的路由发现算法［8］。AODV算法采用动态源路由(Dynamic Source Routing，DSR)的路由发现、维护机制和目的序列距离矢量路由(Destination－Sequenced Distance Vector，DSDV)的逐跳路由、序列编号机制，具有路由发现速度快、占用资源少、易于实现的特点。在AODV协议中，目的节点在收到这个路由请求分组后，可以根据反向路径回复路由请求，这样在源节点和目的节点之间就建立起一条全双工路径。AODV协议的特点在于它采用逐跳转发分组方式，且加入了组播路由协议的扩展。AODV获得路由信息的方式如图1所示，当某网络节点(源节点)需要到达另一节点(目的节点)的路由时，源节点向其所有邻居节点广播一个路由请求报文(Route Requirements，RREQ)，各邻节点采用洪泛的方式在网络中传播RREQ报文，直至RREQ报文到达目的节点或到达某一能提供路由信息的中间节点。在传播过程中，采用序列号来区分RREQ报文的新旧，防止路由环路。RREQ报文为每个转发它的中间节点建立一个临时的、到达源节点的路由(称反向路由)。当RREQ报文到达目的节点或某一能提供路由信息的中间节点时，接方收送方发一个路由应答(RouteReply，RREp)报文按RREQ报文经过的路径反向传送给源节点。RREP在向源节点传送时，为每个转发它的中间节点建立一个到达目的节点的路由(正向路由)。源节点根据收到的RREP报文得到自己到目的节点的路由。

图1 AODV路由算法

2.3 无线自组网MAC协议选择

无线自组网MAC协议主要解决无线信道的接入方式问题，根据节点获取信道的方式，可分为基于竞争和非竞争两类。

2.3.1 非竟争的无线自组网MAC协议

在非竞争的无线自组网MAC协议中，节点之间通过一定的资源分配机制来避免竞争，如:CDMA中的编码空间、TDMA中的时隙空间、FDMAt中的频谱空间等。这些协议需要借助某种形式的集中协调机制，这在无线单跳网络中容易实现，但在分布式的多跳无线自组网中却非常复杂。另外，集中式的协调调度还会带来较大的管理开销，因此在分布式的无线自组网中很少采用。

2.3.2 基于竞争的无线自组网MAC协议

基于竞争机制的MAC协议的显著特点是数据发送异步进行，发送时间只由发送方或接收方单独决定，无需与其他节点协调同步，尽管在传送时不能确保无冲突，但由于该类协议易于实现，具有良好的鲁棒性，非常适合用在无线自组网的分布自组场景当中。基于竞争的无线自组网MAC协议又可细分为随机访问模式和带有预约机制的访问模式两类。

(1)在随机访问模式下，节点在自身准备好之后就立即访问信道，该机制的最大优点是实现简单，但由于节点在发送时未顾及其他节点的情况，最终导致很高的信道冲突率，ALOHA、时隙 ALOHA就属此类协议。为了减小数据分组的碰撞概率，研究人员提出了CSMA协议，其核心思想是:节点在发送数据之前，首先对信道进行载波监听，只有当信道空闲时才发送数据。如果信道忙，则采取不同的监听策略，即非坚持、1坚持和P坚持。非坚持指如果信道忙就进行退避，之后重新监听;1坚持是指如果信道忙就一直监听，直到信道空闲为止;P坚持是指如果信道忙，就以P概率继续监听，以(1－P)概率退避后重新监听。通过载波监听，CSMA进一步减小了数据分组冲突的概率。然而，将CSMA机制直接应用到无线多跳自组网时，存在隐藏终端和暴露终端问题。上述两种情况可以用图2来辅助说明，当节点1与3同时处于发射状态时，由于接收冲突导致节点B无法正确接收到A发送的数据，出现隐藏终端问题。当节点2向节点1发送报文时，节点3侦听到节点2的发送，使得节点3不能同时向节点4发送报文，延迟发送而造成不必要的延迟，即暴露终端问题。隐藏终端和暴露终端问题均会导致数据发送失败，进而导致虚假的链路失败报告，降低了网络吞吐量和信道利用率，所以Ad hoc网络的MAC协议要尽可能解决隐藏和暴露终端问题。

图2 隐藏和暴露终端示意图

(2)带有预约机制的访问模式典型的有MACA协议［9］和改进的 MACA 协议 －MACAW 协议［10］，通过采用RTS/CTS和DATA/ACK握手机制部分解决了无线自组网的隐藏终端和暴露终端问题。在对ALOHA的信道时隙划分机制、CSMA的载波监听机制、MACA的RTS/CTS握手机制、MACAW的DATA/ACK握手机制进行融合的基础上提出的IEEE802.ll协议簇能较好的解决隐藏终端和暴露终端问题。IEEE802.ll采用的报文握手顺序是RTS－CTS－DATA－ACK。当数据报文较短时，直接采用DATA－ACK简单握手机制以提高数据通信效率;当报文较长时，为减小报文冲突，采用RTS－CTS机制来预约信道。

从上面的分析可以看出基于竞争的MAC协议更适合应用在分布式自组网，其中IEEE802.ll系列协议的优势较为明显。

3 结束语

本文对当前综自系统中所用的通信组网方式进行了深入分析，指出了各自的缺点，提出了无线组网方案。重点对现有无线路由协议和MAC协议进行了分析和介绍，根据变电站数据实时性要求高、数据突发性等特点，对几种典型的路由协议和MAC协议做出评估和筛选，确定了路由和MAC方案，为基于无线自组网的变电站综自系统通信网络提供了参考方案。将自组网作为现有站内通信网的备用和扩展符合我国变电站自动化系统的应用现状。随着需求的增长和技术的进一步成熟，自组网在变电站自动化系统中会有更广阔的应用前景。

［1］丁书文.变电站综合自动化技术［M］.中国电力出版社，2005.

［2］任雁铭，秦立军，杨奇逊，等.变电站自动化系统中内部通信网的研究［J］.电网技术，2000，24(5):42 －44.

［3］所旭，张萍.无线通信技术应用于变电站自动化的探讨［J］.电力系统自动化，2004，28(17):88 －91.

［4］颜俊，刘沛，苗世洪.无线网络在变电站自动化中应用［J］.电力自动化设备，2005，25(4):72 －74.

［5］王海峰，丁杰.对变电站内若干网络通信问题的探讨［J］.电网技术，2004，28(24):65 －68.

［6］田国政.变电站自动化系统的通信网络及传输规约选择［J］.电网技术，2003，27(9):66 －68.

［7］Royer EM，Toh CK.A review of current routing Protocols for ad hoc mobile wireless networks［J］.IEEE Personal Communication，1999，6(2):46－55.

［8］Perkins CE，Royer EM.Ad － hoc on demand distance vector routing［C］.Proceedings of Seeond IEEE workshop on mobile Computing Systems and Applications，New orleans，1999:90 － 100.

［9］Karn P.MACA:a new channel aceess Protocol for Packet radio.ARRL/CRRL Amateur Radio Computer Networking Conference，Sept l990，134－140.

［10］Bharghavan V.Demers AJ，Shenker S，Zhang L.MACAW:A media aceess Protocol for wireless LAN's.Proceedings of the ACM conference on Communications Architectures，protocols and Applications(SIGCOMM'94)，London，UK，Aug，1994，212 －25.